[论文解读] New Physics and Atmospheric Neutrino Trident Production with PINGU and ORCA

Shao-Feng Ge, M. Lindner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文提出利用 PINGU 和 ORCA 探测到的大气中微子研究新物理，通过中微子三重产生过程——即从单一顶点同时产生两个μ子径迹。论文计算了标准模型下的三重产生事件率，并展示了对耦合至μ子和τ中微子的新矢量和标量玻色子的探测能力。

ABSTRACT

We propose to use atmospheric neutrinos as a powerful probe of new physics beyond the Standard Model via neutrino trident production. The final state with double muon tracks simultaneously produced from the same vertex is a distinctive signal at large Cherenkov detectors. We calculate the expected event numbers of trident production in the Standard Model. To illustrate the potential of this process to probe new physics we obtain the sensitivity on new vector/scalar bosons with coupling to muon and tau neutrinos.

研究动机与目标

• 利用大气中微子作为新物理探测的探针，研究中微子三重产生过程。
• 量化在 PINGU 和 ORCA 等大型切伦科夫探测器中标准模型下的预期三重事件数量。
• 评估 PINGU 和 ORCA 对耦合至μ子和τ中微子的新矢量和标量玻色子的探测灵敏度。
• 确立双μ子径迹信号作为大型中微子探测器中新物理的显著信号的潜力。

提出的方法

• 利用大气中微子通量作为三重产生研究的高能中微子源。
• 在标准模型框架下建立三重产生过程的模型，重点关注通过中性流相互作用从单一顶点产生两个μ子的过程。
• 应用探测器特定的模拟，基于其能量分辨率和角度分辨率估算 PINGU 和 ORCA 中可观测的三重事件数量。
• 通过在标准模型中引入耦合至μ子和τ中微子的新矢量和标量玻色子，评估新物理的探测灵敏度。
• 使用有效场论技术参数化新物理对三重产生振幅的贡献。
• 将标准模型下预期的三重信号与潜在的新物理信号进行比较，以确定其发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 PINGU 和 ORCA 中，标准模型下预期的中微子三重事件数量是多少？
• RQ2 PINGU 和 ORCA 对耦合至μ子和τ中微子的新矢量和标量玻色子的探测灵敏度如何？
• RQ3 在大型切伦科夫探测器中，三重产生产生的双μ子径迹信号能否与背景事件区分开来？
• RQ4 三重事件的运动学和拓扑特征有哪些，可增强其在 PINGU 和 ORCA 中的可探测性？
• RQ5 与标准模型相比，新物理贡献如何改变三重产生截面和事件率？

主要发现

• 本文计算了在标准模型下 PINGU 和 ORCA 中预期的三重事件数量，为新物理搜索提供了基准参考。
• 由于其独特的拓扑结构，三重产生产生的双μ子径迹信号在大型切伦科夫探测器中具有显著且可识别的特征。
• PINGU 和 ORCA 对耦合至μ子和τ中微子的新矢量和标量玻色子具有显著探测灵敏度，尤其在低至中等质量范围内。
• 大气中微子的高统计量以及 PINGU 和 ORCA 的优异顶点分辨率，显著增强了对新物理的探测灵敏度。
• 本研究证明，大气中微子事件中的三重产生过程为标准模型之外的新物理提供了一种互补且强有力的探测手段。
• 结果表明，未来 PINGU 和 ORCA 的数据可能约束或发现其他中微子探测通道无法触及的新物理。